On the Challenges of Cosmic-Ray Proton Shock Acceleration in the Intracluster Medium
星系团拥有宇宙中最大的粒子加速器：星系团内介质（ICM）中的冲击波，一种热的电离等离子体，将粒子加速到高能量。射电观测在ICM中发现了同步辐射，证明了加速宇宙射线电子的存在。然而，宇宙射线质子的迹象，以$γ$射线的形式。仍未被发现这被称为丢失$γ$射线问题，它直接挑战了ICM中工作的冲击加速机制。在过去的十年中，理论和数值研究的重点是提高我们的知识的微观物理，支配冲击加速过程中的ICM。这些新的模型能够预测一个$γ$射线信号，产生的冲击加速宇宙射线质子，低于现代$γ$射线天文台设置的检测限。在这篇综述中，我们总结了解决丢失的$γ$射线问题的最新进展。
2021-02-16 astro-ph.CO astro-ph.HE
Shock Acceleration in the Intracluster Medium: Implications of Micromirror Confinement
本文研究星系团内介质中微镜约束对激波加速的影响，证明微镜强制最大质子能量不低于100 GeV，且模拟结果与伽马射线观测一致。
2025-10-27 astro-ph.HE
Production Efficiencies of Sound Waves in the Intracluster Medium Driven by AGN Jets
来自活动星系核（AGN）的反馈被认为是解决冷核星系团冷却流问题的最有希望的方法，尽管喷流能量如何转化为热量是一个有争议的话题。声波的耗散被认为是可能的加热机制之一;然而，其对加热的相对贡献仍不清楚。为了估计加热的能量预算，我们进行了三维流体动力学模拟活动星系核喷注英仙座状集群和量化的能量存储在弱冲击波的形式。我们发现，对于一个单一的喷注注入典型的参数在冷核心集群，总喷注能量的$\sim9\%$存储在压缩波（包括冲击波和波）。然而，由于随机相位波之间的破坏性影响，以及冲击能量的耗散，在我们的模拟，包括自调节AGN反馈，不超过$3\%$的总注入能量进入压缩波。我们进一步将能量贡献从冲击波和波中分离出来，发现对于一次爆发，冲击波只能贡献内半径总压缩能量的$\sim20-30\%$，并且它们向外传播时很快消散。然而，由于多次活动星系核爆发会重复产生激波，因此在自调节情况下，激波在内部区域完全支配声波，即使在外部半径处，激波仍然可以提供总压缩能量的$\sim40-50\%$。我们的研究结果表明，生产的声波是不是有效的，因为在以前的单次爆发模拟中发现的，因此声波耗散可能是一个次主导源的冷核心集群加热。
2022-03-17 astro-ph.HE
Nonthermal radiation from relativistic electrons accelerated at spherically expanding shocks
我们研究了宇宙射线电子在低马赫数的球形膨胀冲击波中加速的能谱的演化以及随后在射电同步辐射中留下的谱特征。与时间相关的模拟扩散冲击加速度（DSA）的电子在测试粒子的限制已被执行的球形冲击与参数相关的典型冲击在集群内介质。在冲击位置的电子和辐射谱可以适当地描述与瞬时冲击参数的测试粒子DSA预测。然而，由于激波压缩比和入射电子通量随时间的变化而逐渐减小，电子和辐射的体积积分谱与试验粒子幂律有较大的偏离，因此，在试验粒子区用简单DSA模型解释观测到的演化激波的射电谱时需要谨慎.
2015-02-07 astro-ph.HE
Maximum synchrotron frequency for shock-accelerated particles
人们普遍认为，当电子通过费米过程在冲击中加速时，同步加速器光子的最大能量约为50 MeV（在等离子体共动框架中）。我们表明，在一定的条件下，预计将实现相对论冲击的伽马射线暴，同步辐射光子的能量远远大于50兆电子伏（共动帧）可以产生。其要求是，磁场应在冲击波阵面下游衰减，衰减的长度尺度与最高能量电子在损失一半能量之前所行进的距离相比要小;能量远大于50兆电子伏的光子是在靠近激波阵面的地方产生的，而电子所能达到的最高洛伦兹因子是由占据激波阵面大部分体积的弱得多的场所控制的。电击等离子体
2012-10-22 astro-ph.HE
Particle acceleration in a shock wave propagating to an inhomogeneous medium
我们用蒙特卡罗模拟研究了上游密度起伏对扩散激波加速的影响。模拟结果表明，粒子在激波下游区域被激波前沿产生的声波再加速。估算了声波加速湍流的时间尺度。我们提出了一种新的粒子在激波阵面周围加速的反作用。被加速的粒子通过德鲁里不稳定性产生上游的密度波动，该波动通过激波被转换成下游的声波。下游的声波改变了在激波阵面周围加速的粒子的动量谱。这种新的反作用影响了被加速粒子的发射，这对扩散激波加速的加速效率给出了新的约束。
2020-05-25 astro-ph.HE
On the maximum energy of shock-accelerated cosmic rays at ultra-relativistic shocks
本文研究了宇宙射线在弱磁化超相对论冲击波中的最大加速能量。我们表明，对于这样的冲击，其中的高能粒子的散射介导的离子集肤深度尺度结构，可以预期的韦伯介导的冲击，有一个内在的限制，粒子可以被加速的最大能量。这个最大能量是由粒子在下游等离子体框架中必须各向同性的要求确定的，在平均场将它们输送到下游很远的地方之前，这个最大能量大大低于产生超高能量宇宙射线所需的能量。为了绕过这个限制，需要在更大的尺度上有一个高度无序的场。宇宙射线引起的波长上的不稳定性的增长远远长于离子等离子体趋肤深度，上游和下游的冲击，被认为是。虽然这些不稳定性可能在相对论冲击的磁场放大中发挥重要作用，但在与最高能粒子的回旋半径相当的尺度上，计算出的增长率没有足够的时间来修改散射。由于强修正是下游区域粒子重新穿过激波的必要条件，在没有替代散射机制的情况下，这些结果意味着排除了加速到更高能量的可能性。如果弱磁化的超相对论激波一般不被认为是高能粒子加速器，那么寻找超高能宇宙射线的潜在来源就可以缩小。
2014-01-30 astro-ph.HE
Astro2020 Science White Paper: A Unification of the Micro and Macro Physics in the Intracluster Medium of Nearby Clusters
星系团是宇宙中质量最大的维里化结构。团内等离子体的微物理性质可以影响一个巨大范围内的动力学过程：从活动星系核的反馈到合并星系团的冲击加速。所有主要的宇宙学模拟都假定天体物理学上的等离子体是无粘性的。测量团内等离子体的微物理性质对于真正了解驱动宇宙演化的物理过程至关重要。通过将高空间分辨率X射线图像与（磁）流体动力学模拟进行比较，已经取得了巨大的进展。未来的X射线量能计任务有望直接测量输运系数和气体运动，为宇宙学模拟提供更现实的基准。
2019-04-14 astro-ph.HE
Spectra of accelerated particles at supernova shocks in the presence of neutral hydrogen: the case of Tycho
激波附近中性氢的存在改变了激波的结构，并影响了通过一阶费米机制加速的粒子的光谱。这一现象对解释超新星遗迹辐射的多频光谱具有深远的意义。在激波下游与热离子进行电荷交换的中性粒子可能会导致快速中性粒子向上游气体移动，在那里它们可能会发生额外的电荷交换或电离反应，从而在上游沉积能量和动量。在这里，我们讨论了中性返回通量的影响，这已经在我们以前的工作中预测中性介导的超新星冲击，并显示加速粒子的光谱是如何变得明显比$p^{-4}$陡峭，从而影响一般超新星遗迹和第谷具体的伽马射线光谱。描述中性氢存在下的非线性扩散激波加速的理论是近年来发展起来的。在这里，我们使用一个半解析理论在以前的工作中开发和专门我们的预测的情况下，第谷超新星冲击波，有证据表明，加速宇宙射线的光谱比预期的扩散冲击加速的传统理论更陡峭。我们表明，如果在第谷超新星激波附近的中性氢的分数，如观测所建议的，~70-90，然后加速质子的光谱比$p^{-4}$陡峭可能是一个自然的结果电荷交换反应和相关的中性返回通量。对于能量低于~100-1000 GeV的粒子，其谱形受到这种现象的影响，对于这种粒子，扩散长度小于或至多与冲击上游的电荷交换和电离的路径长度相当。
2016-03-07 astro-ph.HE
The Maximum Energy of Accelerated Particles in Relativistic Collisionless Shocks
伽马射线暴（GRB）的余辉辐射通常被解释为电子在GRB外激波处加速产生的同步辐射，以相对论速度传播到磁化的星际介质中。通过多维粒子模拟，我们研究了弱磁化相对论激波在磁化强度0<sigma<1 e-1范围内的加速性能。预冲击磁场是正交的流动，一般预期的相对论冲击。我们发现，当磁化强度σ <1 e-3时，在正负电子等离子体中传播的相对论垂直激波是有效的粒子加速器。对于电子-离子等离子体，对于σ <3e-5，发生向有效加速的转变。在这里，两种物质的加速过程类似，因为电子进入冲击几乎与离子均分，作为在自生上游湍流中的强预热的结果。在电子-正电子和电子-离子冲击中，我们发现被加速粒子的最大能量随时间的变化是t^（1/2）。这种标度比所谓的（和通常假定的）玻姆极限要浅，它自然是由激波层中产生的韦伯湍流的小尺度性质引起的。在磁化的等离子体中，加速粒子的能量增加，直到达到饱和值，该饱和值与磁化强度成比例，为σ ^（-1/4）。由于自生湍流被限制在激波周围一个厚度与σ ^（-1/2）成正比的有限区域内，因此防止了进一步的湍流。我们的研究结果可以提供物理接地输入模型的非热辐射从各种天体物理来源，特别是相关的伽玛暴余辉。
2013-01-22 astro-ph.HE
Analytical model for cluster radio relics
射电遗迹是巨大的同步辐射源，位于合并的星系团的外围。在这项工作中，我们模拟他们的形成使用Press-Schechter形式主义，以模拟合并率，分析模型的团内介质和冲击动力学，以及一个简单的模型的宇宙射线电子在合并冲击。我们发现，人口的无线电遗迹的统计特性是强烈依赖于关键的物理参数，如加速效率，磁场强度在遗迹，遗迹的几何形状和合并冲击的电子加速的持续时间。结果表明，通量分布以及幂质量关系可以约束团内介质的关键参数。随着新的大面积无线电测量的出现，对无线电遗迹的统计分析将补充我们从单个物体的观测中所学到的知识。
2020-02-07 astro-ph.HE
Microphysics of diffusive shock acceleration: impact on the spectrum of accelerated particles
Gran Sasso Science Institute（格兰萨索科学研究所）；INFN/Laboratori Nazionali del Gran Sasso（意大利国家核物理研究所/格兰萨索国家实验室）；University of Chicago（芝加哥大学）
研究非共振流不稳定性对湍流冲击加速谱变形的影响，探讨冲击速度和注入动量对谱变陡的依赖性。
2025-12-12 astro-ph.HE
Radiation from accelerated particles in relativistic jets with shocks, shear-flow, and reconnection
本文研究了非磁化相对论性喷流在非磁化等离子体中传播时的粒子加速和激波结构。尾喷流激波中产生的强磁场导致电子的横向偏转和加速。我们自洽地计算了在湍流磁场中加速的电子的辐射。我们发现，合成光谱依赖于体洛伦兹因子的喷流，喷流的温度，和强度的磁场中产生的冲击。我们还开始研究电子在由动力剪切（开尔文-亥姆霍兹）不稳定性产生的强磁场中的加速。我们计算的光谱应该导致更好地理解复杂的时间演化和/或光谱结构从伽马射线暴，相对论喷流，超新星遗迹。
2013-03-11 astro-ph.HE
Three-dimensional thermodynamic structures of the intracluster medium across edges in the X-ray surface brightness of massive, bright, dynamically-active galaxy clusters
本研究利用钱德拉X射线天文台，通过扩展的正向建模方法分析4个动力学活跃星系团的X射线数据，明确了不同星系团边缘的冷锋/激波锋性质及相关热力学特征，验证了激波加热瞬时平衡模型假说。
2024-07-13 astro-ph.CO astro-ph.HE
Shocks and non-thermal particles in clusters of galaxies
星系团通过气体吸积而成长，主要来自子结构的合并，它释放出强大的冲击波进入宇宙等离子体，并将一部分动能转化为热能，放大磁场并加速高能粒子。宇宙冲击的无线电特征的建模，加上缺乏从宇宙射线（CR）质子检测到的伽马射线，对我们理解宇宙射线如何加速和存储在星团内介质中提出了挑战。在这里，我们审查的CR注入不同强度的宇宙冲击，结合详细的“微观”的无碰撞过程的看法，管理创建的非热分布的电子和质子在集群冲击（基于解析理论和粒子在细胞模拟），与“宏观”的大尺度分布的宇宙射线，建议由现代宇宙学模拟。本文讨论了等离子体大尺度可压缩运动下多个内激波加速粒子的含时非线性动力学模型。该模型产生的软CR光谱包含一个显着的能量密度的超热质子的能量低于几个GeV，这是很难约束费米观测。我们认为，等离子体成分的影响CR注入和超热粒子人口的热intraclustermatter，可以约束由精细的高分辨率X射线光谱的Fe离子。
2019-02-01 astro-ph.HE
Intracluster Medium reheating by relativistic jets
星系喷流是重新加热星系团内部介质的强大能量源。它们在宇宙之谜中的关键作用是由观测激发的，已经通过大量的数值模拟建立起来，这些模拟忽略了这些喷流的相对论性质。我们提出了第一个相对论模拟非常长期的现实银河系喷流的演变。出乎意料的是，我们的结果显示没有浮力气泡，但大茧区与所观察到的X射线腔兼容。再加热比以前的方案更有效，更快，它是由喷流驱动的冲击波产生的，它存活了几百万年。因此，由强大的相对论喷流产生的星团中的X射线空洞将在极长的时间内被微弱的冲击所限制，其检测可能是一个观测挑战。
2011-10-13 astro-ph.CO astro-ph.HE
The maximum energy of shock-accelerated electrons in a microturbulent magnetic field
本研究针对微湍动磁场下相对论激波的电子加速问题，通过蒙特卡罗模拟结合MCMC方法，拟合出可估算天体物理参数空间内费米加速电子最大动量的经验公式，发现最大能量呈激波速度的拐折幂律分布。
2020-10-30 astro-ph.HE
Radiation from Particles Accelerated in Relativistic Jet Shocks and Shear-flows
本文研究了非磁化相对论性喷流等离子体传播到非磁化环境等离子体中的激波和剪切流引起的粒子加速和发射。射流激波中产生的强电磁磁场是通过扰动（韦伯）不稳定性产生的。冲击场强度和结构取决于等离子体成分（（$e^{\pm}$或$e^-$ - $p^+$等离子体）和洛伦兹因子。在喷流与周围等离子体的速度剪切中，通过动力学Kelvin-Helmholtz不稳定性（kKHI）产生了强的交流（$e^{\pm}$等离子体）或直流（$e^-$ - $p^+$等离子体）磁场，磁场结构也依赖于喷流洛伦兹因子。我们自洽地计算了在冲击波产生的磁场中加速的电子的辐射。光谱取决于射流的初始洛伦兹因子和温度，通过所产生的粒子加速和磁场产生。我们正在进行的“全球”喷流模拟包含冲击和速度剪切，将为我们提供计算和模拟复杂的时间演化和/或从伽马射线暴，活动星系核喷流和超新星遗迹观察到的光谱结构的能力。
2014-12-22 astro-ph.HE
The Maximum Energy of Shock-Accelerated Cosmic Rays
本文使用基于动力学模拟的多区域半解析模型研究激波加速宇宙射线的最大能量，发现超新星遗迹仅在特定条件下可加速PeV粒子，为天体物理激波最大能量估计提供参考。
2024-04-22 astro-ph.HE
Cosmic Ray Acceleration by Relativistic Shocks: Limits and Estimates
我们研究的能量限制，宇宙射线可以加速相对论冲击，表明轻离子的加速高达100 EeV是不可能的。我们估计的含义是，如果超高能宇宙射线被冲击加速，那么这些冲击可能不是相对论性的。
2017-09-22 astro-ph.HE
Signatures of a Maxwellian Component in Shock-Accelerated Electrons in GRBs
最近的粒子模拟表明，在相对论冲击波中耗散的能量的很大一部分被沉积到与高能幂律尾部相连的麦克斯韦电子分布中。在这里，我们探讨这种混合的热-非热粒子分布的余辉和即时发射的伽马射线暴的观测意义。当麦克斯韦分量占主导地位的能量预算，余辉光曲线显示一个非常陡峭的下降阶段，随后由一个更浅的衰减时，特征同步加速器频率交叉所观察到的频带。在爆发后约100秒的X射线中出现了陡峭的衰减，并伴随着在大量早期余辉中观察到的特征性硬-软-硬光谱演变。如果内部冲击产生类似的混合电子分布，则预计在nu*f_nu谱的同步加速器峰值处会出现凸起。
2009-12-24 astro-ph.HE
Energy Spectrum Of Nonthermal Electrons Accelerated At A Plane Shock
利用时间相关的扩散激波加速（DSA）模拟方法，计算了在准平行磁场作用下，平面激波中宇宙线质子和电子的能谱，包括同步辐射和逆康普顿散射引起的能量损失。采用热漏注入模型和玻姆型扩散系数。当DSA能量增益与同步加速器/IC能量损失相平衡后，激波处的电子能谱趋于稳定，并在平衡动量p_{eq}处截止。在激波后区，由于能量损失，电子能谱的截止动量随离激波的距离而减小，电子空间分布的厚度与p^{-1}成正比。因此，当p_{br} <p< p_{eq}时，下游积分谱的斜率变陡一个p的幂，其中破裂动量随冲击年龄减小，公式为p_{br} \propto t^{-1}。在CR修正激波中，质子和电子能谱都呈现出凹曲率，偏离正则试验粒子幂律，在截止动量附近，上游积分电子能谱可能优于下游积分电子能谱。因此，X射线同步辐射截止附近的光谱形状可以揭示非线性DSA的特征。
2011-02-15 astro-ph.HE
Role of ejecta clumping and back-reaction of accelerated cosmic rays in the evolution of supernova remnants
年轻超新星遗迹（SNR）激波后区域的热结构受到两种主要物理效应的严重影响，即加速宇宙射线（CR）的反反应和在喷出物与激波后的星际介质（ISM）接触不连续处产生的瑞利-泰勒（RT）不稳定性。在这里，我们调查的作用，通过详细的三维MHD建模的物理机制在SNR的演变。我们的模型描述了通过磁化ISM的残留物的膨胀，包括一贯的初始喷出物结块和冲击动力学的影响，由于反反应的加速CR。我们讨论的作用，最初的喷出物块状发展强烈的不稳定性，在接触不连续性，可能会延伸到上游的主震和超越。
2011-09-01 astro-ph.HE
Diffusive Shock Acceleration by Multiple Weak Shocks
在星系团的形成过程中，团内介质（ICM）预计平均会经历三次具有低音速马赫数（$M\lesssim 3$）的弱激波。质子和电子都可以通过扩散冲击加速（DSA）在ICM冲击中加速成为高能宇宙射线（CR）。我们检查DSA的影响，包括{ \it在原位}注射/加速在每次冲击的频谱上的加速CR的多次冲击，然后在连续的冲击在测试粒子制度的重复再加速。为了简单起见，假设加速粒子在遇到后续激波之前经历绝热减压而没有能量损失并从系统中逃逸。我们表明，在一般情况下，CR频谱是平坦的多个冲击通道，相比DSA的一个单一的情节，和加速效率增加与连续的冲击通道。然而，由于激波膨胀到星团外围的减压可能会减少多个激波通道对CR谱的放大和平坦化。最后一个激波后的CR谱由所有先前激波重复再加速的累积效应决定，但它对激波马赫数的顺序相对不敏感。因此，冲击的多次通过可能导致CR谱的斜率偏离电流冲击的规范DSA幂律斜率。
2021-06-16 astro-ph.HE
Effects of the variability of the nucleus of NGC1275 on X-ray observations of the surrounding intracluster medium
活动星系NGC 1275位于英仙座星系团的中心，英仙座星系团是天空中最明亮的X射线星系团。在过去的几十年里，原子核显示出很大的变化。我们编制了一个光变曲线的X射线发射覆盖约40年，并表明明亮的阶段，1980年左右解释了为什么内部的X射线泡没有看到在与爱因斯坦天文台拍摄的图像。到1992年，当ROSAT HRI的图像导致他们的发现时，通量已经大大下降。自2000年钱德拉首次拍摄到照片以来，该星系核显示出缓慢的X射线上升。如果它变亮到1990年以前的水平，那么ASTRO-H的X射线吸收光谱可以揭示内部气泡周围受冲击气体的速度结构。
2015-05-14 astro-ph.HE
Propagation of weak shocks in cool-core galaxy clusters in two-temperature magnetohydrodynamics with anisotropic thermal conduction
以英仙座星系团为基准模型，研究了不同的磁流体动力学模型对星系团核心弱激波（马赫数~1.2）传播的影响。特别是，我们研究如何热传导，各向同性和各向异性，和离子-电子温度平衡修改弱冲击。预计强热传导将产生电子温度前体。也形成不太突出的压力和密度前体。较长的平衡时间大大降低了密度前体，但不会改变电子温度前体很多。当热传导变得各向异性时，团内磁场会在热通量引起的激波畸变上留下其特征性的空间尺度。
2020-07-03 astro-ph.HE
Diffuse Galactic Gamma Rays from Shock-Accelerated Cosmic Rays
激波加速粒子通量\propto p^-s，其中p是粒子动量，这是从简单的理论考虑得出的，即在非相对论性激波下宇宙射线加速，然后依赖于刚性逃逸到星系晕中。当考虑核生产模型的不确定性时，s ~ 2.8的冲击加速宇宙射线质子通量提供了对高纬度和分子云气体的费米-LAT伽马射线发射谱的充分拟合。Neronov，Semikoz，& Taylor（PRL，108，051105，2012）在拟合高纬度分子云的伽马射线谱时声称宇宙射线质子谱的断裂是使用由动能的幂律描述的宇宙射线质子通量的结果。
2012-08-29 astro-ph.GA astro-ph.HE
High-energy neutrinos from sources in clusters of galaxies
高能宇宙射线可以在星系团中被加速，在大尺度结构形成过程中气体吸积引起的兆秒差距尺度的冲击，或者被星系团中的强大源加速。一旦加速，最高能量的粒子以几乎直线的轨迹离开星团，而较低能量的粒子则可以被星团磁场限制到宇宙时间，并与星团内的气体相互作用。利用团簇中重子分布和湍流磁场的实际模型，研究了高能质子在团簇内介质中的传输和强子相互作用。我们报告的累积宇宙射线和中微子光谱产生的星系团，包括嵌入式源，并证明集群可以贡献一个显着的比例观察到的冰立方中微子超过30 TeV，而在高能宇宙射线和$γ$射线的合理选择的参数和源的情况下，保持未检测到。
2016-07-01 astro-ph.HE
Relativistic hydrodynamic jets in the intracluster medium
我们已经完成了第一个三维相对论流体动力学模拟的河外喷流的纯轻子和重子等离子体成分传播到一个流体静力学的集群内介质环境。数值模拟使用的多组分相对论气体的状态方程，密切再现的辛格状态方程的相对论理想气体的一般。我们发现，轻子和重子喷流之间的形态和动力学差异远不如热喷流和冷喷流之间的差异明显。在所有这些模型中，喷流首先在团内介质的核心半径内以基本恒定的速度传播，然后逐渐加速，以便在模拟结束时将喷流前进速度增加1.2至1.6倍，这取决于模型。平均空腔压力的时间演化与扩展理论模型的预期不一致，即使平均空腔压力作为时间的函数以幂律减小。我们的模拟产生的合成无线电图像，主要是明亮的热点，并出现类似的观测扩展射电星系与准直射电喷流。这些明亮的射电瓣在X射线图像中可以看到黑暗的区域，并且在形态上类似于在星团内介质中观察到的X射线空洞。这支持了这样的预期，即弓形激波周围的头部的射流是重要的机制，产生X射线腔在集群内的介质。虽然模型之间存在定量差异，但所有模型的总射电和X射线强度曲线都显示出定性相似的趋势。
2017-05-12 astro-ph.HE
Critical Mach Numbers for Magnetohydrodynamic Shocks with Accelerated Particles and Waves
第一临界快马赫数被定义为磁流体动力学冲击的马赫数，其中冲击从亚临界、层流行为转变为超临界行为，其特征在于来自冲击波阵面的入射离子反射。随之而来的上游波和湍流对流下游导致湍流激波结构。形式上，这是等离子体电阻率不再能提供足够的耗散以建立稳定激波的马赫数，其特征在于下游流速变为亚音速。我们重新审视这些计算，包括在MHD跳跃条件下，模拟等离子体能量损失到加速粒子和与这些粒子相关的波的存在。加速粒子的贡献并不显著，但相关波的影响更为重要。上游波在穿过激波时强度会被强烈放大，这是另一种激波消散的方式。因此，这种波的存在增加了第一临界快马赫数，特别是在波激励最强的准平行激波处。这些影响可能有意义的太阳区域，冲击波加速粒子，并导致II型和III型射电爆发，也有助于SEP加速的事件到事件的变化。
2022-10-17 astro-ph.HE astro-ph.SR
Is the low-energy tail of shock-accelerated protons responsible for over-ionized plasma in supernova remnants?
本研究通过计算超新星遗迹喷射物中重元素离子的质子撞击电离速率，检验了激波加速质子低能尾导致过度电离等离子体的假说，发现所需质子丰度远超注入比例上限，从而否定该场景。
2024-05-23 astro-ph.HE
Electron Re-acceleration via Ion Cyclotron Waves in the Intracluster Medium
本研究通过一维全动力学粒子模拟，探讨星系团内介质中持续压缩产生的离子回旋波对“化石”宇宙射线电子的散射与能量增益，发现磁泵效应可使其在压缩/膨胀周期中获能约10-30%，为星系团射电辐射提供来源。
2023-02-24 astro-ph.HE
GeV-TeV cosmic-ray spectral anomaly as due to re-acceleration by weak shocks in the Galaxy
最近的宇宙射线测量发现宇宙射线能谱在GeV-TeV能量处存在异常。虽然异常的起源还不清楚，但建议的解释包括宇宙射线源光谱的影响，传播效应和附近源的影响。本文认为，这种光谱异常可能是银河系中弱激波对宇宙射线的再加速效应。宇宙射线在被强烈的超新星残余激波加速后，在银河系中进行扩散传播。在传播过程中，宇宙射线可能会再次遇到膨胀的超新星遗迹冲击波，并被重新加速。由于老超新星遗迹的体积较大，遇到老超新星遗迹的可能性预计会比年轻的超新星遗迹大，预计再加速主要是由于较弱的冲击。由于较弱的冲击产生较软的粒子谱，因此产生的再加速分量将具有比强冲击产生的初始宇宙射线源谱更陡的谱。对于一组合理的模型参数，它示出，这种再加速组件可以占主导地位的GeV的能量区域，而非再加速组件占主导地位，在更高的能量，解释所观察到的GeV-TeV的光谱异常。
2014-04-14 astro-ph.HE
Particle Acceleration at Structure Formation Shocks
宇宙流体动力学模拟表明，在宇宙大尺度结构的分级成团过程中，超音速流运动可以在星系际介质中产生激波。类似于行星际激波和超新星遗迹（SNRs），这些结构形成激波可以通过扩散激波加速宇宙线（CR）质子和电子。外部吸积冲击，形成在非线性结构的最外表面，与SNR冲击一样强，并且可能是高能量CR质子高达$10^{18}$ eV的潜在加速位点。但是，由于与这些吸积冲击相关的极低的动能通量，可能很难检测到它们的特征。另一方面，热的团内介质中的内部激波的辐射特征已被确定为X射线观测中的温度和密度不连续性以及来自加速CR电子的漫射无线电发射。然而，由于$π^0$衰变而无法探测到星系团的伽马射线辐射仍然是一个突出的问题。
2017-06-12 astro-ph.HE
Shock acceleration of electrons in the presence of synchrotron losses: I. test particle theory
本文讨论了在同步辐射能量损失的情况下，电子在非相对论冲击波中的输运方程的半解析解。我们计算了任意扩散系数的激波上游和下游任意点处的加速（测试）粒子谱，并将结果专门用于三种情况：1）动量扩散常数（$D(p)=D_{0}$），2）玻姆扩散（$D(p)\propto p$）和3）柯尔莫哥洛夫扩散（$D(p)\propto p^{1/3}$）。特别重要的是在电子光谱中的截止形状的确定，这取决于在冲击区的粒子感觉到的扩散特性。这种形式可以推广到由加速粒子的动力学反应引起的上游前兆激波的情况。
2009-12-10 astro-ph.HE
Galaxy cluster outskirts from the thermal SZ and non-thermal synchrotron link
星系团合并激波是团内介质热化和宇宙线粒子在其中传播的主要媒介，激波传播改变了团内稀薄等离子体的状态，相应的信号变化可以用当代X射线和Sunyaev-Zel'dovich（SZ）效应仪器测量。此外，非热电子（再）激发的冲击有时会引起扩展和发光的同步加速器源称为无线电遗迹，这是突出的指标，冲击传播大致在天空的平面。在这篇简短的评论中，我们讨论了如何联合建模的非热和热信号的变化，在整个无线电遗迹冲击波的前锋是帮助推进我们的知识的气体物理性质和磁场强度在集群的郊区。我们描述了第一次使用SZ效应来测量遗迹冲击波的马赫数，对于最近的（Coma）和最远的（El Gordo）集群与已知的无线电遗迹。
2016-11-25 astro-ph.CO astro-ph.HE
Cosmic-ray spectral anomaly at GeV-TeV energies as due to re-acceleration by weak shocks in the Galaxy
最近的宇宙射线测量的ATIC，CREAM和PAMELA实验发现了一个明显的硬化的能谱在TeV的能量。虽然硬化的起源还不清楚，但可能的解释包括宇宙射线源光谱的硬化，银河系中宇宙射线传播特性的变化以及附近源的影响。在这篇文章中，我们提出光谱异常可能是银河系中弱激波对宇宙射线的再加速效应。宇宙射线在被强烈的超新星残余激波加速后，在银河系中进行扩散传播。在传播过程中，宇宙射线可能会再次遇到膨胀的超新星遗迹冲击波，并被重新加速。由于老超新星遗迹的体积较大，遇到老超新星遗迹的概率预计会比年轻超新星遗迹大，预计再加速主要是由较弱的冲击产生的。由于较弱的冲击产生较软的粒子谱，因此产生的再加速分量将具有比强冲击产生的初始宇宙射线源谱更陡的谱。对于一组合理的模型参数，它示出，这种再加速组件可以占主导地位的GeV的能量区域，而非再加速组件占主导地位，在更高的能量，解释所观察到的GeV-TeV的光谱异常。
2013-08-06 astro-ph.HE
Particle Acceleration and Nonthermal Emission at the Intrabinary Shock of Spider Pulsars. I: Non-Radiative Simulations
针对蜘蛛脉冲星双星内激波的X射线非热辐射，研究用二维PIC模拟揭示磁条带重联、上游电场及等离子体团随机相互作用对粒子的加速机制，并验证光谱和光变曲线与观测吻合。
2024-04-03 astro-ph.HE
Gamma-ray emission of accelerated particles escaping a supernova remnant in a molecular cloud
我们提出了一个模型的伽马射线发射的核心坍缩超新星起源于大质量的年轻恒星的爆炸。超新星遗迹（SNR）的快速前进激波可以通过扩散激波加速（DSA）在一个由强烈的超新星前恒星风吹来的洞穴中加速粒子。作为非线性DSA的一个基本组成部分，一部分加速粒子逃离激波，并与周围的大质量致密壳层相互作用，产生硬光子发射。为了计算这种发射，我们开发了一种新的蒙特卡罗技术，用于将SNR的前向冲击产生的宇宙射线（CR）传播到致密的外部材料中。这种技术被纳入一个不断发展的SNR的流体动力学模型，其中包括非线性反馈的CR的SNR演变，生产逃逸的CR与那些仍然被困在残留物内，和宽带发射的辐射被困和逃逸的CR。虽然我们的组合CR-水逃逸模型是相当普遍的，适用于核心坍缩和热核超新星，我们选择的参数在这里讨论的是更典型的SNR从非常大质量的恒星，其发射光谱有所不同，从那些产生的低质量的祖先直接与分子云相互作用。
2011-02-18 astro-ph.HE
Nonthermal Acceleration of Electrons, Positrons and Protons at a Nonrelativistic Quasiparallel Collisionless Shock
本文利用一维PIC模拟研究了非相对论准平行无碰撞激波中正电子等粒子的加速机制，发现反射粒子可注入扩散激波加速过程，且正电子因平行电场进一步加速而被优先注入。
2024-05-30 astro-ph.HE
Re-acceleration of Cosmic Ray Electrons by Multiple ICM Shocks
射电遗迹可能是由星系合并过程中在湍流的团内介质中诱发的多次激波产生的。Kang（2021）证明，与单次DSA相比，通过多次冲击的扩散冲击加速（DSA）对宇宙射线（CR）质子进行再加速可以提高加速效率并使CR谱平坦化。在这里，我们研究CR电子加速通过多次再加速考虑能量损失和减压的粒子分布和磁场在postshock区域之间的连续冲击通道。我们发现，如果前一次冲击比最后一次冲击强，且冲击通过间隔为$\lesssim20$ Myr，则重复再加速的累积效应是显著的。在这种情况下，CR谱和随后的辐射谱后面的最后一个冲击增强，变得比规范DSA幂律形式更平坦。结果，由无线电观测估计的激波马赫数往往高于最后一次激波的实际马赫数。因此，DSA的多个事件可以解释CR电子加速效率的提高和激波马赫数$M_{\rm X} \lesssim M_{\rm rad}$的差异，推断一些观察到的射电遗迹。
2021-08-04 astro-ph.HE
Shock-accelerated cosmic rays and streaming instability in the adaptive mesh refinement code Ramses
宇宙射线（CR）被认为在星系演化的几个关键方面，包括星际介质的结构，星系风的形成，和晕的非热压力支持中发挥着重要的动力学作用。我们介绍了一个数值模型求解CR流不稳定性和加速的CR在冲击与流体的方法在自适应网格加密代码ramses。CR流是用扩散方法解决的，它的各向异性性质自然被捕获。我们介绍了一个激波探测器的拉美西斯代码，自动检测激波不连续的流动。激波是CR注入的场所，根据扩散激波加速机制，其CR加速效率取决于上游磁场的强度。我们表明，激波探测器准确地捕捉激波的位置，并估计几个问题的激波马赫数。在Sedov溶液中，CRs的注入依赖于结晶度，这导致超新星泡呈现出大的极帽（均匀的背景磁场）或CR分布的斑块结构（不均匀的背景磁场）。最后，我们结合了两个加速CR流在一个简单的湍流星际介质盒，并表明，CR的存在显着修改的气体结构。
2019-10-08 astro-ph.GA astro-ph.HE
Chemical Enhancements in Shock-accelerated Particles: Ab-initio Simulations
我们研究了热化，注射，和加速的离子与不同的质量/电荷比，$A/Z$，在非相对论无碰撞冲击通过混合（动力离子流体电子）模拟。一般来说，离子热化到与$A$成正比的冲击后温度。当扩散冲击加速是有效的，离子发展的非热尾的程度与$Z$的规模和其归一化增强为$(A/Z)^2$，使未完全电离的重离子优先加速。我们将讨论这些发现如何解释银河系宇宙射线中观测到的重离子增强。
2017-04-26 astro-ph.HE hep-th physics.geo-ph
Radio relics radio emission from multi-shock scenario
射电遗迹是巨大的（$\sim$ Mpc）同步辐射源，被认为是由星系团内介质中的冲击对宇宙射线电子（CRe）进行（再）加速而产生的。在这个数值研究中，我们专注于一些无线电遗迹可能出现的可能性，当电子在合并的星系团的郊区经历多个冲击扩散冲击加速。这种多冲击（MS）的情况下，似乎可行的产生CRe发出可见的同步辐射。我们表明，电子已被冲击多次开发的能量谱，显着不同的幂律谱预期的情况下，一个单一的冲击方案。因此，多次冲击的CRe产生的无线电发射高于仅冲击一次的CRe产生的发射。在本文探讨的情况下，在两种情况下产生的无线电发射相差一个数量级。特别是在MS的情况下，模拟文物遵循KGJP光谱形状，与观察一致。此外，产生的射电辐射足够大，可以用现有的射电望远镜（例如LOFAR，JVLA）探测到。
2021-10-22 astro-ph.HE
Spectral curvature of shock-accelerated particles in solar cycle 23
用对数抛物线拟合了第23太阳活动周16个GLE的质子动量分布，发现了能量突变与对数抛物线的整体谱曲率之间的相关性。
2018-08-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Role of ejecta clumping and back-reaction of accelerated cosmic rays in the evolution of Type Ia supernova remnants
我们通过详细的3D MHD建模研究了喷出物的初始聚集和宇宙射线（CR）的有效加速在确定Ia型超新星遗迹（SNR）冲击后区域密度结构中所发挥的作用。我们的模型描述了通过磁化星际介质（ISM）的SNR的扩展，包括初始的喷射物和冲击动力学的影响，由于加速CR的反反应。将模型预测与SN 1006的观测结果进行比较。我们发现，只有加速的CR的反作用不能再现所观察到的前向激波（FS）和接触不连续（CD）之间的分离，除非通过CR加速和逃逸的能量损失非常大，并且与平行度角无关。相反，即使不需要加速的CR，喷出物的聚集也可以自然地再现在SN 1006中观察到的小分离和突起的出现。我们的结论是，FS-CD分离是一个探头的喷出物结构在爆炸时，而不是一个探头的CR加速在年轻的SNR的效率。
2012-02-16 astro-ph.HE
Detectability of 100 TeV Gamma Rays from PeV Cosmic Rays Accelerated in the Early Phase of a Supernova Shock Wave
Nagoya University（名古屋大学）；Konan University（神户学院大学）；Université Montpellier, CNRS/IN2P3（蒙彼利埃大学，法国国家科学研究中心/欧洲核子研究组织）
本文通过计算II-P型超新星早期激波穿越致密星周物质时产生的100 TeV伽马射线通量，评估了CTA望远镜探测PeV宇宙射线加速的可行性，发现对邻近超新星进行50小时观测可探测至约4 Mpc距离。
2026-09-17 astro-ph.HE
The Case for Electron Re-Acceleration at Galaxy Cluster Shocks
在最大的尺度上，宇宙由构成宇宙网的空隙和细丝组成。星系团位于这张网的节点处，在细丝的交叉点。星系团的成长是通过这些大尺度的细丝的吸积以及与其他星系团和星系团的合并。在越来越多的星系团中，已经发现了Mpc大小的细长射电源，即所谓的射电遗迹。这些遗迹被认为是追踪团簇内等离子体中的相对论性电子，这些电子被团簇-团簇合并事件产生的低马赫数无碰撞冲击加速。一个长期存在的问题是，低马赫数的激波如何能如此有效地加速电子，从而解释观测到的射电遗迹。在这里，我们报告发现了一个无线电遗迹和一个无线电星系之间的直接联系，在合并的星系团阿贝尔3411-3412。这一发现表明，来自活动星系核的化石相对论电子在星系团冲击中被重新加速。这也意味着射电星系在控制合并星系团中团内介质的非热成分方面起着重要的作用。
2017-01-10 astro-ph.CO astro-ph.HE
Particle acceleration and wave excitation in quasi-parallel high-Mach-number collisionless shocks: Particle-in-cell simulation
本文通过一个长期的、大规模的粒子模拟研究了准平行高马赫数无碰撞激波中质子和电子的激波形成和粒子加速过程。我们表明，质子和电子都在冲击波中加速，这些加速粒子在冲击波的上游区域产生大振幅的Alfvénic波。在上游波充分增长之后，由于波的大横向磁场，无碰撞激波的局部结构变得基本上类似于准垂直激波的结构。一小部分质子在激波中加速，能量分布类似于幂律。质子注入对加速过程的速率近似为常数，在注入过程中，上游波对质子的相位俘获机制起着重要作用。主要的加速过程是通过质子的重复冲击交叉的费米式过程。这个过程是一个“快”过程，因为大多数加速质子完成一个加速过程周期所需的时间比扩散时间短得多。一小部分电子也被相同的机制加速，并具有类似幂律的能量分布。然而，在模拟过程中，喷射没有进入稳定状态，这可能与上游波的间歇性活动有关。在冲击波的上游，一部分电子在到达冲击波之前被预加速，这可能有助于在稍后的时间稳定的电子注入。
2015-02-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
How AGN Jets Heat the Intracluster Medium -- Insights from Hydrodynamic Simulations
来自活动星系核（AGN）的反馈被认为可以防止星系团的灾难性冷却。然而，反馈能量如何转化为热量，以及活动星系核喷流如何各向同性地加热团内介质（ICM），仍然是一个谜。在这项工作中，我们获得的见解不同的加热机制的相对重要性，使用三维流体动力学模拟，包括冷气体吸积和动量驱动的喷流反馈，这是迄今为止最成功的模型在复制冷核心的属性。我们发现，有净加热内的两个“射流锥”（在〜 30度的射流进动的轴），ICM获得熵的冲击加热和混合与热的热气体内的气泡。在喷流锥外，周围的气体被弱激波加热，但不足以克服辐射冷却，因此形成了一个“减少”的冷却流。因此，星系团的核心在数十亿年的时间里处于“温和循环”的过程中。在射流锥内，当气体被急剧上升的气泡提升时，存在显著的绝热冷却;在锥外，能量由来自射流锥的已经加热的气体的流入以及气体向中心移动时的绝热压缩提供。换句话说，流体动力学自我调节，以补偿和传输活动星系核提供的热量，因此不需要对任何过程的加热曲线进行微调。在整个团簇演化过程中，湍流能量与气体热能相比仅处于百分比水平，因此湍流加热不是我们模拟中的主要加热源。
2016-06-21 astro-ph.GA astro-ph.HE
Deep Learning Analysis of Ions Accelerated at Shocks
University of Chicago（芝加哥大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Princeton University（普林斯顿大学）
本研究利用深度学习技术对碰撞less激波中加速离子进行分类和预测，展示了机器学习在等离子体模拟中的应用潜力。
2026-07-29 astro-ph.HE astro-ph.IM
Bi-directional streaming of particles accelerated at the STEREO-A shock on 9th March 2008
本文对2008年3月9日由日地关系天文台（ST-A）观测到的快速准垂直反向激波附近超热离子的各向异性和强度进行了解释。测量的超热粒子的强度分布表现出增强，或“尖峰”，在冲击到达和俯仰角各向异性的冲击到达之前的时间是双峰，共同建议捕获的近散射自由离子沿磁场线相交的冲击在两个位置。我们运行测试粒子模拟与预先存在的上游静磁波动平流通过冲击。所测得的双峰上游各向异性，近场对齐的各向异性高达约15分钟的上游的冲击，以及“煎饼状”的各向异性高达约10分钟的下游的冲击很好地再现了模拟。这些结果与早期的研究结果一致，表明磁场的大尺度结构（100 s的超热质子回旋半径）在冲击波的早期粒子加速中起着主导作用。
2020-09-28 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.space-ph
A mechanism that could stop the acceleration process within a collisionless shock
本文通过稳定性分析，将激波宽度与加速粒子谱及密度比关联，发现上游加速粒子比例达约30%时，无碰撞激波加速过程可能终止。
2024-12-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Limiting the shock acceleration of cosmic-ray protons in the ICM
对大尺度射电辐射的观测证明了星系团中存在激波加速的宇宙射线电子，而探测到的$γ$射线的缺乏限制了星系团中宇宙射线质子的加速。这挑战了我们对扩散冲击加速如何工作的理解。在这项工作中，我们夫妇的最新配方的冲击加速在集群内介质的国家的最先进的磁流体动力学模拟的大规模星系团。此外，我们使用被动示踪粒子来跟踪加速宇宙线的演化。我们表明，当考虑到磁场拓扑结构和加速宇宙射线反馈之间的相互作用时，粒子加速理论的最新发展给出了与观测约束相容的结果。
2020-04-21 astro-ph.CO astro-ph.HE
